Объекты и средства исследования

Министерство образования РФ

Тульский государственный университет

Кафедра электротехники и электрических машин

 

Электротехника и электроника

Лабораторные работы

Часть первая “Электрические цепи”

Методические указания

 

 

Под редакцией В.М. Глазова

 

Тула 1995

Содержание

Стр.

Введение...........................................…………………………….…………… 3

Общие требования к подготовке, выполнению и

оформлению лабораторных работ.................………….……………….… 3

Техника безопасности..…..........................……………………….………… 4

Лабораторная работа №1. Исследование линейных

электри­ческих цепей постоянного тока с последовательным

и парал­лельным соединением резисторов …………............…………. 5

Лабораторная работа №2. Исследование линейной

элект­рической цепи постоянного тока со смешанным

соединением резисторов……………………………...............……….... 12

Лабораторная работа №3. Исследование нелинейных

электрических цепей постоянного тока...........………………..………. 19

Лабораторная работа №4. Исследование индуктивной

катушки и конденсатора...........…....……………………....………….... 26

Лабораторная работа №5. Исследование линейной

нераз­ветвленной электрической цепи синусоидального тока ……. 33

Лабораторная работа №6. Исследование линейной

разветв­ленной электрической цепи синусоидального

тока..……………………………………………………….………….……. 41

Лабораторная работа №7. Исследование трехфазной

электрической цепи с активной нагрузкой, соединенной

по схеме "звезда"........................................……………………….….... 49

Лабораторная работа №8. Исследование трехфазной

электрической цепи с активной нагрузкой, соединенной

по схеме "треугольник"........……………………….............................. 56

 

 

Разработали: В.М. Глазов, к.т.н., доцент

С.А. Климов, к.т.н., ассистент

А.Э. Соловьев, к.т.н., ассистент

 

 

Рассмотрено на заседании Нормоконтролер,

кафедры ЭиЭМ ответственный за стан-

Протокол №11 от 10.08.94 дартизацию на кафедре

Зав. кафедрой В.М. Глазов

Б.В. Сухинин “ “ 1994 г.

Введение

 

Настоящие методические указания предназначены для студентов вечернего и заочного обучения всех не электротехнических специаль­ностей, а также студентов дневного обучения, изучающих электро­технические дисциплины в небольшом объеме,

Успешное освоение электротехнических дисциплин предполагает приобретение умений к навыков экспериментальных исследований электрических цепей, машин и приборов, что является основной целью лабораторных занятий. Кроме того, при оформлении отчета студент по­лучает также практические навыки анализа электрических цепей.

В настоящем сборнике помещены методические указания к восьми лабораторным работам по разделу "Теория электрических и магнитных цепей" различных электротехнических дисциплин. Объем каждой лабо­раторной работы таков, что студент за одно лабораторное занятие имеет возможность полностью выполнить задание и составить отчет по работе при условии наличия заранее заготовленных бланков прото­кола испытаний и расчетно-графической части.

Работы №1,2,7,8 составил доцент Глазов В.М., работы №3,4 -ассистент Климов С.А., работы №5,6 - ассистент Соловьев А.Э.

 

Общие требования к выполнению и оформлению лабораторных работ

 

Прохождение лабораторного практикума включает в себя 3 этапа:

1) самостоятельную подготовку к работе;

2) проведение экспериментов в лаборатории;

3) обработку результатов экспериментов и оформление отчета.

1. В процессе самостоятельной подготовки студенты обязаны:

а) изучить или повторить основные теоретические положения по теме, которую отражает лабораторная работа, для чего использо­вать конспект лекций и рекомендованные преподавателем учебные по­собия. Качество своей подготовки можно оценить с помощью контроль­ных вопросов и задач, приведенных в методических указаниях.

б) подготовить бланки протокола испытаний и расчетно-графической части отчета, формы которых даны в методических указаниях;

в) уяснить цель работы и изучить порядок ее выполнения. Неподготовленный студент к выполнению работы не допускается.

2. Проведение экспериментов осуществляется фронтальным мето­дом на универсальных лабораторных стендах в составе бригад по 2-3 человека в соответствии с графиком, составленным преподавателем. Электрические цепи собирают на стендах с помощью проводников со штекерами. Посла сборки цепи, ее необходимо предъявить для проверки преподавателю или лаборанту. Включение напряжения можно производить только получив на это разрешение. Самовольное включение напряжения категорически запрещается. Предъявлять электрическую цепь для про­верки необходимо также после любого, даже незначительного изменения цепи. Если невыполнение указанных требований повлекло за собой вы­ход из строя приборов и оборудования, виновный несет материальную ответственность. Применяя электронные измерительные приборы, следует внима­тельно знакомиться с передней панелью прибора, назначением ручек, переключателей и гнезд. При необходимости следует обратиться запомощью к преподавателю или лаборанту. В процессе выполнения работы протокол испытаний заполняют экспериментальными данными, снимаемыми с электроизмерительных при­боров. После завершения работы, не разбирая электрическую цепь, протокол испытаний предъявляют для проверки преподавателю, кото­рый своей подписью удостоверяет правильность результатов. После этого электрическую цепь следует разобрать. Время проведения экспериментов должно составлять не более 30-35 минут.

3. Обработка результатов измерений, оформление изащита от­четов производится в лаборатории непосредственнопосле выполнения работы. Отчет по лабораторной работе включает в себя:

- подписанный преподавателем протоколиспытаний;

- расчетно-графическую часть;

- краткие выводы по работе.

Содержание расчетно-графической части отчета указано в методических указаниях..

При оформлении отчета необходимовыполнять требования ЕСКД.

Если студент не успел назанятии оформить отчет до конца, то он заканчивает оформление дома с предъявлением отчета на следующем занятии.

 

Техника безопасности

 

На вводном занятии преподавательзнакомит студентов с инструк­цией по технике безопасности при эксплуатации электроустановок, где изложены основные правила, которые необходимо соблюдать при работе в лаборатории. Студенты, прошедшие инструктаж, должны расписаться в журнале и строго следовать положениям инструкции.

Лабораторная работа №1

Исследование линейных электрических цепей постоянного тока с последовательным и параллельным соединением резисторов.

 

Цель работы:

1. Приобрести навыки сборки простейших электрических цепей.

2. Научиться пользоваться электроизмерительными приборами.

3. Закрепить теоретические сведения о методах анализа электрических цепей с последовательным и параллельным соединением потребителей.

 

Основные теоретические положения

 

Электрической цепью называют совокупность источников и потребителей электрической энергии, соединенных между собой с помощью проводников. В ценной работе исследуется электрическая цепь с одним источником ЭДС. В качестве потребителей электрической энергии в работе использованы резисторы.

Напряжение U на зажимах резистора с сопротивлением R (рис.1) и ток, проходящий через него, связаны законом Ома I = U / R.

Наряду с законом Ома при анализе электрических цепей исполь­зуют первый и второй законы Кирхгофа.

Формулировка первого закона Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле электрической цепи, равна нулю.

Формулировка второго закона Кирхгофа; в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжений равна алгебраической сумме ЭДС. Последовательным соединением элементов (или участков) электрической цепи называется соединение, при котором по цепи проходит один и тот же ток, т.е. к концу каждого предыдущего элемента подключается начало следующего (рис.2). Такой участок электрической цепи называется ветвью. Общее напряжение на участке с последовательным соединением элементов равно сумме напряжений на каждом элементе. Например,

для схемы, представленной на рис.2,

U = U₁ + U₂ + U₃ + U₄

В соответствии с законом Ома для отдельных элементов и для всей цепи:

R₁ = U₁ / I; R₂ = U₂ / I; R₃ = U₃ / I; R₄ = U₄ / I

R_эк = U / I = R₁ + R₂ + R₃ + R₄.

При заданных значениях общего напряжения U и сопротивлений всех элементов анализ последовательной цепи проводят в следующем порядке:

а) определяют эквивалентное сопротивление всей цепи:

R_эк = R₁ + R₂ + R₃ + R₄

б) по закону Ома находят ток в цепи: I = U / R.

в) рассчитывают напряжения на каждом элементе:

U₁ = R₁I; U₂ = R₂I; U₃ = R₃I; U₄ = R₄I;

г) проверяют выполнение равенства: U = U₁ + U₂ + U₃ + U₄.

 

Параллельным соединением элементов (или участков) электрической цепи называется соединение, при котором элементы (участки) подсоединяются к одной паре узлов, т.е. находятся под одним и тем же напряжением. Пример схемы цепи с параллельным соединением участков представлен на рис.3. При параллельном соединении общий ток цепи I, т.е. ток, прохо­дящий через источник, связан с токами I₁ и I₂ первым законом Кирхгофа:

I = I₁ + I₂;

При анализе параллельной цепи удобно пользоваться понятием проводимости G, являющейся величиной, обратной сопротивлению, т.е. G = 1 / R. Единица измерения проводимости – Сименс (См).

В соответствии с законом Ома проводимости каждой из ветвей G₁ и G₂, а также эквивалентная проводимость всей цепи G_эк(рис. З) определяется формулами:

G₁ = I₁ / U; G₂ = I₂ / U; G_эк = I / U = G₁ + G₂, где

G_эк = 1 / R_эк; G₁ = 1 / (R₂ + R₃); G₂ = 1 / (R₅ + R₆).

Характерной особенностью параллельной цепи является то, что режим работы любой ветви не зависит от параметров других ветвей, поэтому параллельное соединение является основным способом подключения потребителей к электрической сети.

При заданной величине напряжения U, приложенной к цепи, ее анализ сводится к расчету каждой из ветвей в отдельности, т.е.

I₁ = U / (R₂ + R₃) = UG₁; I₂ = U / (R₅ + R₆) = UG₂

и определению общего тока I по первому закону Кирхгофа.

Если известны величина общего тока I и сопротивления всех элементов, то рассчитывать данную цепь необходимо в следующем порядке:

а) вычислить проводимости каждой ветви G₁ и G₂;

б) определить эквивалентную проводимость цепи G_эк;

в) по известному значению тока I в соответствии с законом Ома для

всей цепи найти напряжение U = I / G_эк;

г) рассчитать токи в ветвях по закону Ома I₁ = UG₁; I₂ = UG₂:

д) проверить правильность расчета по первому закону Кирхгофа.

Если по участку электрической цепи с сопротивлением R проходит ток I, создающий на этом участка падение напряжения U, то выделяемая здесь активная мощность P определяется выражениями:

P = UI = I²R = U² / R

Например, для цепи, представленной на рис.2, мощность, рассеиваемая на резисторе R₂;

P₂ = U₂I = IR₂² = U₂² / R₂.

Для измерения электрических параметров цепи (тока, напряжения, сопротивления) используются электроизмерительные приборы.

Сила тока в цепи измеряется амперметром, включаемым последовательно с тем участком цепи, где необходимо измерить силу тока (рис.4). Амперметр обладает очень малым внутренним сопротивлением, поэтому его включение практически не изменяет сопротивление цепи.

Напряжение на некотором участке электрической цепи измеряется вольтметром, который подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение (рис.5). Вольтметр имеет очень большое внутреннее сопротивление, поэтому его подключение не влияет на режим работы цепи.

Для измерения сопротивления используется омметр, этот электроизмерительный прибор содержит собственный источник питания. Его входные клеммы подключаются к той паре точек электрической цепи, между которыми измеряется сопротивление (рис.6). Цепь при этом обязательно должна быть обесточена. Перед использованием прибора должна быть произведена установка его на нуль.

 

Объекты и средства исследования

 

Объектами исследования являются последовательная и параллель­ная цепь, состоящие из резисторов R₁ – R_6, смонтированных на плате № 4. Указанные на схеме стенда соединения выполнены при монтаже стенда. В качестве последовательной цепи берется цепь, состоящая из элементов R₁, R₂, R₃, R₄, а в качестве параллельной цепи - цепь, состоящая из двух ветвей, одна из которых включает в себя последовательно соединенные R₂ и R₃, а другая – R₅ и R₆.

Источником питания служит источник постоянного тока с регули­руемой величиной ЭДС. Выходные гнезда источника расположены на центральной панели стенда и обозначены “+” и “-“, Внутреннее сопротивление источника не учитывается, т.е. источник ЭДС полагается идеальным.

В качестве электроизмерительных приборов используются многопредельные миллиамперметры Э377, а также цифровой или стре­лочный многопредельный электронный вольтметр. Выбор пределаизмерениямиллиамперметра осуществляется нажатием одной изклавиш, размещенных под прибором. Цифра под клавишей указывает предел из прения в миллиамперах.

 

Порядок проведения эксперимента

 

1. Исследование последовательной электрической цепи.

1.2. Собрать последовательную цепь в соответствии с рис.7.

1.3. После проверки цепипреподавателем подать нанее напряжение, для чегона плате №3,,левой панели стенда поставить тумблер ВЗ-I в положение "Вкл.", а тумблер ВЗ-2 - в положение П и включить тумблеры В1 и В2 на центральной панели стенда.

1.4. Подключив вольтметр к гнездам “а” и “f”, с помощью ручки “Рег. Uв_х” на плате №3 установить указанную преподавателем величину напряжения U_af и записать ее в табл. 1.

1.5. Записать в табл.1 показания амперметра, измеряющего ток I в цепи.

1.6. Измерить с помощью вольтметра напряжения на каждом резисторе R₁ – R₄, а также U_af и записать из значения в табл. 1.

1.7. Снять напряжение, отключив тумблеры В1 и В2 и отсоединить цепь от гнезд "+" и "-" источника питания.

1.8. Используя электронный измерительный прибор в режиме омметра измерить сопротивление каждого резистора, а также R_af. Результаты записать в табл.1.

2. Исследование параллельной электрической цепи.

2.1. Собрать параллельную цепь в соответствии с рис. 8.

2.2. После проверки схемы преподавателем подать на нее напряжение, включив тумблеры В1 и В2.

2.3. Подключить вольтметр к гнездам “+” и “-” источника питания, с помощью регулятора напряжения установить заданную преподавателем величину напряжения U и записать ее в табл. 2.

2.4. Измерить токи I, I₁, I₂, и записать их значения в табл. 2.